Технические науки / отраслевое машиностроение

Скачков В.А., Воденников С.А., Иванов В.И.,

Воденникова О.С.. Моисейко Ю.В.

СТРУКТУРА И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИРОГРАФИТА

Запорізька державна інженерна академія

Пирографит осаждается разложением природного газа на поверхностях, нагретых до температуры не ниже 1800 °С. При осаждении пирографита атомные плоскости углерода располагаются параллельно поверхности осаждения (подложки). При этом свойства пирографита в плоскости его осаждения являются изотропными, а в направлении, перпендикулярном к данной плоскости, значительно отличаются. В связи с этим пирографит является существенно анизотропным материалом трансверсально-изотропного типа.

Структура пирографита представлена конусами роста, которые зарождаются на наиболее энергетически активных микроучастках нагретых поверхностей. Основными параметрами его микроструктуры являются межплоскостное расстояние d₀₀₂ и высота кристаллита L_C.

Структурно-механические характеристики пирографита определены с применением установки ДРОН-2У. Межплоскостное расстояние d₀₀₂ рассчитывали по формуле Вульфа-Брэгга:

, (1)

где l - длина волны; q - угол дифракции.

Размеры кристаллитов пирографита определяли по ширине дифракционных линий с использованием соотношений Семенова-Шеррера:

; (2)

, (3)

где L_a, L_c – размеры кристаллитов в плоскостях 002 и 004 соответственно; А_а, А_с - постоянные (А_а = 1,84; А_с = 0,89); b – ширина линий на половине высоты максимума рентгенограммы.

В процессе охлаждения осажденного пирографита от рабочей температуры до комнатной температури формируются остаточные термоструктурные напряжения и микроструктурные деформации.

Остаточные напряжения создают условия для изменения геометрической формы заготовок пирографита. В отдельных случаях происходит образование локальных микро- и макроразрушений.

Разработана методика оценки термоструктурных напряжений, в основу которой положены соотношения механики анизотропных сред.

Проведена расчетно-экспериментальная оценка уровня остаточных напряжений в объеме пирографита и установлены условия микроразрушений структуры материала.

Получены образцы пирографита с межплоскостным расстоянием d₀₀₂ от 3,4219 до 3,4356 Å и высотой кристаллитов от 88,0 до 97,7 Å. С использованием метода разрушающих испытаний образцов определены прочностные характеристики и предельные деформации.

На машине трения СМТ-1 определены коэффициенты трения и интенсивность износа в плоскости осаждения пирографита, а также под углом 45 и 90°.

Триботехнические испытания выполняли по системе «диск-колодка». В качестве контртела использовали диск диаметром 50 мм, изготовленный из серого чугуна. Образцы из пирографита с размерами 15 х 10 х 11 мм прирабатывали по радиусу 25 мм и испытывали при линейных скоростях трения от 0,5 до 5,0 м/c и удельном давлении от 1,0 до 3,0 МПа.

Методами математической статистики получено регрессионное уравнение зависимости предела прочности на изгиб (s_u) и макроструктурных деформаций (e) от структурно-механических характеристик пирографита:

, (6)

(7)

С использованием критерия Фишера показана адекватность построенных моделей.

Исследования позволили установить, что уровень остаточных сдвиговых напряжений является сопоставимым с пределом прочности пирографита в плоскости осаждения, что подтверждает образование трещин в пластинах данного материала.